EmStat PicO：支持軟件運行的嵌入式小型電化學恒電勢器系統化模塊

Lutz Stratmann Brendan Heery Brian Coffey

摘要：電化學產品日趨微型化;此外，電化學傳感器系統的開發需要具備固件、模擬和數字電子學知識以及對電化學的深入了解，工程部門通常不具備這種知識組合。ADI公司與PalmSens BV合作研發的EmStatPico是一款微型（30.5mm×18mm×2.6 mm）恒電勢器系統化模塊，只需很少的開發時間和精力即可將標準的電化學測量。本文詳細介紹了三種不同的電化學測量，表明可輕松地將該器件集成到系統中，并示范說明了恒電勢器模塊的應用范圍：OCP（pH）、循環伏安法和EIS。

關鍵詞：電化學;恒電勢器;模塊;微型

0引言

電化學產品日趨微型化。儀器儀表從機架安裝式或臺式機縮小為手持式設備，以進行目標點或環境分析。下一代儀器儀表開始將恒電勢器集成到更小的設備（例如可穿戴設備、醫療設備或氣體監測儀）中。ADI公司與PalmSens BV合作研發的EmStat Pico就是一款微型（30.5mm×18 mm×2.6 mm）恒電勢器系統化模塊（sOM），它延續了這一尺寸縮小的趨勢。該器件采用ADI技術構建，包括ADuCM355、ADPl66、ADT7420和AD8606。

電化學傳感器系統的開發需要具備固件、模擬和數字電子學知識以及對電化學的深入了解。工程部門通常不具備這種知識組合。EmStat Pico模塊只需很少的開發時間和精力即可將標準的電化學測量，如線性掃描伏安法（LSV）、方波伏安法（sWV）或電阻抗光譜法（EIS），集成到單個產品中，從而使設計人員可以跳過學習過程，并縮短開發時間。鑒于電化學傳感器市場競爭日趨激烈，該模塊使開發人員擁有充足的時間搶占營收先機。

本文詳細介紹了三種不同的電化學測量，表明可輕松地將該器件集成到系統中，并示范說明了恒電勢器模塊的應用范圍：OCP（pH）、循環伏安法和EIS。

1系統集成

EmStat Pico旨在僅使用四根導線（5 V、地、發射、接收）便可集成到任何基于微控制器的系統中。圖1顯示了示例設置，前者使用Arduino MKR作為主控制器，后者使用usB到UART轉換器連接到PC。在這兩種設置中，EmStat Pico都與絲印電極（sPE）連接，用于常見的電化學測量，如循環伏安法（cV）。

1.1開發板

圖2所示的EmStat Pico開發板將SOM連接斷開，并添加了一系列功能，包括：用于獨立運行的電池電源和SD卡、USB和Bluetooth通信選項、用于標記時間戳的實時時鐘（RTC）、用于校準數據存儲的EEprom以及用于直接插入Arduino MKR的接頭。

1.2軟件接口

對于實驗室和測試臺應用，可以通過USB連接使用PSTrace PC軟件來運行EmStat Pico。

對于OEM應用，可以通過UART進行通信，主機可以使用MethodSCRIPT^TM”EmStat Pico腳本語言來控制EmStat Pico。這是一個可讀腳本，用來對EmStatPico進行編程以使用電化學技術并執行其他功能，例如循環、將數據記錄到sD、數字I/O、讀取輔助值（如溫度）以及睡眠或休眠狀態。方法腳本代碼可以在PSTrace中生成，也可以手動編寫。

2pH值測量

范圍為0～14的pH值測量（酸性：0;中性：7;堿性：14）是最常見的電化學測量方法之一，它廣泛用于從環境化學到醫療傳感器等眾多領域。通常使用針對特定氫離子的玻璃離子選擇性電極（ISE）進行測量，該電極會產生電壓響應或開路電勢（OCP）。顧名思義，OCP表示沒有任何電流或只有極小的電流流入電極。因此，無誤差測量要求高阻抗輸入。pH電極的建立時間可長達30 s，并且測量值與溫度密切相關。

2.1典型測量參數

·電壓響應：25℃時，-59.16 mV/pH單位;

·分辨率：±0.02PH雌位，即電壓分辨率<1.18 mV;

·溫度相關性：0.2 mV/pH單位/℃;

·要求的輸入阻抗：>100GΩ。

2.2設置設備

·EmStat Pico開發板。

pH電極：Voltcrafl PE-03。

·緩沖溶液：pH7。

·緩沖溶液：pH4（如圖3）。

pH電極連接到EmStat Pico開發板的RE 0輸入端，并以WE 0為基準電壓源。注意：此方向會產生一個反向電壓響應。RE 0輸入端通過EmStat Pico上的AD8606運算放大器進行緩沖，以實現>1 TΩ的輸入阻抗。每隔20 s將電極在pH 4乖DpH 7緩沖溶液之間進行移動的同時，記錄2 min時間段內RE 0相對于WE 0的電勢。將ISE從一個緩沖溶液中取出后，先用去離子水沖洗再將其浸入另一個緩沖溶液中。

pH 4和pH 7之間的電勢差為0.17 V，這意味著電勢與pH值的線性關系的斜率為56.7 mV/pH。考慮到25℃時的理論理想值為59.16 mv/pH單位，這表明設置擁有足夠的靈敏度。

3循環伏安法

循環伏安法技術是將電壓斜坡（如-1-+1 V）施加于溶液中的電極，然后再進行反向（從+1-1 V），同時測量通過電極的電流。這種循環法可測量因電極溶液界面處的化學物質的氧化和還原而產生的陽極和陰極電流。該技術通常用于檢測并量化電活性物質，例如普魯士藍（一種常見染料）等金屬絡合物。

3.1典型測量參數

·施加的電壓：-1-+1V

·步長：10 mV

·電流響應：±10nA-±1 mA

·斜坡率：100 mV/s

3.2設置設備

·EmStatPico開發板（如圖5）。

·絲印電極（SPE）：LanPrinTech的LP-3.13.WP.350。

·SPE連接器：DSl020-03STlD。

·鐵氰化鉀K3[Fe（III）（CN）6]。

·亞鐵氰化鉀K[Fe（II）（CN）6]。

·氯化鉀CIK。

通過采用Levenberg-Marquardt算法的PSTrace等效電路擬合來計算電路中的電子元件的數值。

4.3結果

圖8a顯示了圖8c所示Randles電路的波特圖。在低頻下，由于電容效應較小，因此10 kΩ電阻占主導地位。在較高頻率下，隨著電容幾乎變為理想短路狀態，阻抗降至與溶液電阻相匹配。

圖8b中藍色所示為數據的奈奎斯特圖，橙色所示為數據擬合的理論模型。根據模型計算出的等效電路元件值如圖8d所示。這些值與虛設單元的標稱值嚴格匹配。注意：電阻容差為0.1%，電容容差為5%。

5結論

EmStat Pico是一款用戶可配置的通用型恒電勢器，它能夠執行大多數常見的電化學測量。它采用小尺寸的系統化模塊封裝，適合集成到小型檢測系統中。該器件采用ADI技術構建，包括ADuCM3 55、AD8606、ADT7420和ADP166。